焊接中厚板模態分析與試驗研究

張系斌,李 軍,王哲平

(長江大學城市建設學院,湖北荊州434023)

焊接殘余應力是近年來較為熱門的課題,很多學者對有焊接殘余應力的板架的本構關系進行了深入的研究,但是中厚板焊接殘余應力對動力特性的影響的研究還亟待分析和討論。模態分析用于確定結構或機器部件的振動特性,即結構的固有頻率、振型和阻尼比[1],它們是承受動態載荷結構設計中的重要參數,同時也可以作為其他動力學分析問題的依據。為此,筆者通過對3種不同厚度板在有焊接殘余應力和無焊接殘余應力的情況下分別做出模態分析,得到焊接中厚板前8階固有頻率,研究不同厚度的焊接板中殘余應力對動力特性的影響。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗設備及材料

采用北京東方振動和噪聲技術研究所DASP V10智能數據采集和信號處理分析軟件。試驗構件共有中厚板12塊,分為3組,每組中厚板尺寸相同,且每組中有1塊無焊接板來進行試驗對比。試驗材料尺寸和數量如表1所示。材料性質為Q345B的鋼板,具有良好的機械性能、可焊性和加工工藝性。鋼板力學性能:抗拉強度σb 490～665MPa;屈服強度σs≥325MPa;伸長率δ5≥21%;沖擊度20。制作試驗構件焊接工藝是采用焊接熱源模型為高斯熱源,焊接方式為CO2氣保護焊,坡口角度為45°,分4道焊,具體焊接參數如下:焊接電流為170～550A;焊接速度v=5mm/s;焊絲為直徑4mm的H 10Mn2焊絲。試驗構件的模型簡圖如圖1所示,試件模型節點劃分圖如圖2所示。

表1 試驗材料尺寸和數量

圖1 對接焊縫幾何模型簡圖

圖2 模型節點劃分圖

1.2 試驗設計

該試驗采用柔軟的橡膠繩把板材試件懸掛起來,使板材試件處于一種近似的 “自由狀態”[2],力錘采用剛性錘頭,加速度傳感器安裝在試件底部中間的位置。每塊板劃分25個網格,36個節點,采用橡膠繩把板材試件懸掛起來,對節點進行逐一敲擊采集數據。試驗方案示意圖如圖3所示。

2 模態分析

試驗模態分析主要分3個步驟:①通過模態試驗FFT自譜分析得到頻率響應函數。②通過頻率響應函數模態擬合進而確定模態階數。在響應輸入和響應輸出可以測得的情況下,即可得到頻響函數[3]。③在已知頻響函數在各階模態比較分散的情況下,采用模態擬合中的頻域法,在頻域模擬分析中,根據頻響函數曲線的峰值點,確定模態階數。進而求得固有頻率和模態振型等模態參數,并通過模態參數的變化對試驗板材的固有頻率進行分析對比。

圖3 試驗方案示意圖

3 試驗結果與分析

3.1 試驗測得的頻響函數

固有頻率是通過模態試驗得到的模態參數,是通過試驗能夠得到的較為準確的參數之一,也是獲取其他參數的基礎。為了得到準確的固有頻率,擬把各個節點頻率響應函數綜合起來考慮,通過曲線擬合方法得到一個綜合頻率響應函數,最后對該函數進行分析得到板材試件不同模態階段的固有頻率。以其中一塊板為示例,其頻響函數顯示圖如圖4所示。

圖4 頻響函數顯示圖

從圖4可以看出,產生共振的頻率是基本固定的,即激勵輸入點的不同,共振頻率不發生變化。因而試驗結果符合理論假設,可以確定試驗方案可行。在得出頻響函數后,必須進行定階,通過軟件對頻響函數進行平均或疊加,然后人工選取產生了共振的頻率點作為模態結果。

3.2 不等厚板固有頻率對比

由于固有頻率較高的模態,產生共振的可能性不大,而且對外界干擾比較敏感,因而僅選擇前8階模態進行對比分析。懸掛系統試驗中厚板模態頻率值如表2所示。

表2 懸掛系統試驗中厚板模態頻率值

通過表2可以看出,殘余應力[4]對中厚板固有頻率影響不大;在焊接殘余應力作用下,中厚板的固有頻率有所提高,隨著板厚的增加板材的固有頻率增大;在相同階數情況下,隨著板厚的增加,焊接殘余應力對板材的固有頻率影響率減小。

圖5 中厚板前4階模態振型

3.3 中厚板前4階模態振型

通過DASP V10軟件數據采集和信號處理分析,計算模擬焊接中厚板前4階試驗振型圖如圖5所示。

從圖5可以看出,由于中厚板在焊接處焊縫材質差異和焊接殘余應力的作用,前4階模態振型圖沒有明顯突變,而且與有限元計算振型吻合良好。因此,通過該試驗無法檢測到中厚板焊接對其振型的影響。

3.4 不等厚度中厚板固有頻率

3種尺寸規格中厚板所測得固有頻率試驗數據如圖6所示。

通過圖6可知,3組不同試驗厚度板材中的模態頻率基本一致;隨著中厚板的厚度的增加,板件自振頻率隨之增加;隨著中厚板厚度的增加,殘余應力對中厚板固有頻率影響減弱。

圖6 中厚板與焊接板頻率對比分析圖

3.5 不等厚度中厚板阻尼比

通過試驗得到3種不同厚度的對比板與焊接中厚板阻尼比分析圖如圖7所示。

從圖7可以看出,同規格焊接中厚板的阻尼比明顯大于對比板的阻尼比,且前4階的阻尼比作用較明顯 (焊接中厚板阻尼比較對比板明顯增大)。

圖7 3種不同厚度對比板與焊接中厚板阻尼比分析圖

[1]Xiao Yang yang,Takuro Amano,Yutak a.Application of modal analysis by transfer function to nondestructive testing of wood II:modulus of elasticity evaluation of sectionsof differing quality in a wooden beam by the curvature of the flexural vibration wave[J].Journal of Wood Science,2003,49(5):140-144.

[2]李德葆,陸秋海.實驗模態分析及其應用[M].北京:科學出版社,2001.

[3]張子明,杜成斌,周星德.結構動力學[M].北京:清華大學出版社,2008.

[4]佘昌蓮.焊接結構的殘余應力研究 [D].武漢:武漢理工大學,2006